Bosonic quantum control with a weakly coupled fluxonium qubit

In de zoektocht naar het bouwen van een quantumcomputer verkennen wetenschappers een strategie die licht niet alleen als een signaal behandelt, maar als een opslagmedium. In plaats van informatie op te slaan in kleine, kwetsbare deeltjes die snel verdwijnen, gebruikt deze aanpak de continue, golfachtige trillingen van een microgolfcaviteit, vergelijkbaar met een stemvork die lang blijft nazingen. Deze trillingen, bekend als bosonische modi, bieden een enorme ruimte om gegevens te coderen, wat potentieel meer informatie kan bevaten dan een eenvoudige aan/uit-schakelaar. Deze delicate trillingen kunnen echter niet uit zichzelf worden gecontroleerd; ze hebben een partner nodig om ze te duwen en te sturen. Deze partner is meestal een supergeleidende qubit, een piepklein kunstmatig atoom dat als controller fungeert. De uitdaging ligt in de mismatch tussen de twee: de opslagcaviteit is gebouwd om lang mee te gaan, terwijl de controle-qubit vaak kort leven heeft en de neiging heeft om onverwacht van staat te veranderen, wat de opgeslagen informatie kan ruïneren.

Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld genaamd Echoed Conditional Displacement om deze kloof te overbruggen. Stel je een systeem voor waarin de controller-qubit de opslagcaviteit vertelt om zijn trilling naar een specifieke plek te bewegen in een tweedimensionale kaart van mogelijkheden. Als de qubit in de ene staat is, beweegt de trilling de ene kant op; als hij in een andere staat is, beweegt hij de tegenovergestelde kant op. Om deze beweging precies te maken en te voorkomen dat deze wordt verstoord door de eigen trage driften van de qubit, bevat het proces halverwege een "spiegelstap", waarbij de qubit wordt omgedraaid om fouten te elimineren. Deze techniek is een fundamentele bouwsteen voor geavanceerde foutcorrigerende codes die quantumcomputers betrouwbaar kunnen maken. Toch blijft er een grote hindernis: als de controle-qubit plotseling van staat verandert door een willekeurige fout, mislukt de hele operatie.

In een nieuwe studie onderzocht een team natuurkundigen een specifiek type controle-qubit genaamd een fluxonium, ontworpen om uitzonderlijk resistent te zijn tegen dergelijke willekeurige staatswisselingen. Ze richtten zich op een speciaal werkpunt waar de qubit wordt afgeschermd van het meest voorkomende type fout, waardoor hij zijn staat miliseconden lang kan vasthouden — een lange tijd in de quantumwereld. Met behulp van gedetailleerde computersimulaties testten de onderzoekers hoe goed deze robuuste qubit de Echoed Conditional Displacement-gate op een verbonden microgolfresonator kon uitvoeren. Ze ontdekten dat ze met deze beschermde qubit een gate-fidelity van meer dan 99,9% konden bereiken, wat betekent dat de operatie bijna elke keer slaagt. Dit resultaat suggereert dat de primaire bron van fouten in deze systemen niet langer het omdraaien van de qubit is, maar de onvermijdelijke energieverlies uit de opslagcaviteit zelf.

De studie pakte ook een dieper probleem aan dat ontstaat wanneer de opslagcaviteit hard wordt aangestuurd om de trilling snel te laten bewegen. Wanneer de caviteit met een sterke kracht wordt aangestuurd om een grote beweging te creëren, beginnen de eenvoudige regels die normaal gesproken hun gedrag beschrijven, te vervallen. De onderzoekers ontdekten dat de interactie tussen de qubit en de caviteit niet oneindig groeit naarmate de beweging groter wordt; in plaats daarvan bereikt het uiteindelijk een limiet en verzadigt het. Dit gebeurt omdat de interne structuur van de fluxonium-qubit, die lijkt op een dubbel kuil-potentiaal, op complexe manieren interageert met de caviteit, wat door hogere-orde fysica-termen wordt beschreven. Om dit te begrijpen, ontwikkelde het team een nieuwe manier om het systeem te modelleren, waarbij de trilling van de caviteit wordt behandeld als een bewegend punt in de ruimte, waarbij wordt bijgehouden hoe elk klein detail van de vorm van de qubit de beweging beïnvloedt. Deze aanpak onthulde dat de snelheid van controle niet simpelweg toeneemt met de omvang van de beweging; het bereikt een piek en neemt vervolgens af, een gedrag dat standaardmodellen misten.

Gewapend met dit nieuwe begrip, ontwierp het team een verbeterde versie van de controlevolgorde. De standaardmethode gaat ervan uit dat de caviteit perfect is en de interactie met de qubit eenvoudig is, maar in werkelijkheid verliest de caviteit energie en heeft de interactie subtiele, ongewenste draaiingen. De onderzoekers berekenden een nieuwe reeks pulsen die de verliezen en verstoringen actief compenseert. Door de timing en de sterkte van de controlesignalen aan te passen, konden ze de fouten die anders de trilling op de verkeerde plek of in de verkeerde richting zouden achterlaten, opheffen. Toen ze deze verbeterde sequentie in hun simulaties testten, corrigeerde deze succesvol voor de ongewenste verschuivingen veroorzaakt door energieverlies en complexe niet-lineariteiten, waardoor de trilling exact op de plek terechtkwam waar deze hoorde te zijn.

Het werk benadrukt een cruciaal pad voorwaarts voor quantumcontrole. Hoewel de controle-qubit nu robuust genoeg gemaakt kan worden om stoppen met flippen, blijft de opslagcaviteit zelf kwetsbaar voor het verliezen van energie. De onderzoekers ontdekten dat zelfs met een perfecte qubit, het verlies van fotonen uit de caviteit de belangrijkste factor is die de nauwkeurigheid van deze gates beperkt. Hun nieuwe modelleringsmethode biedt echter een duidelijke kaart van hoe het systeem zich gedraagt onder sterke aandrijvingskrachten, waardoor ingenieurs deze effecten kunnen voorspellen en corrigeren voordat ze een apparaat bouwen. Door een qubit te combineren die resistent is tegen het wisselen van staat met een controlevolgorde die corrigeert voor energieverlies en complexe interacties, heeft het team een levensvatbare route gedemonstreerd naar hoogwaardige controle van quantumopslag. Deze vooruitgang brengt het vakgebied dichter bij het doel van fouttolerante quantumcomputing, waarbij informatie kan worden opgeslagen en gemanipuleerd met de betrouwbaarheid die nodig is voor real-world toepassingen.